Hacia unos servicios meteorológicos, medioambientales y climáticos urbanos integrados

Áreas urbanas en número4

La transición urbana que hay ahora en Asia involucra a una magnitud de población mucho mayor que en cualquier otra región del mundo y se está produciendo a una escala sin preceden-tes en la historia de la humanidad. México D. F., São Paulo, Seúl, Bombay, Yakarta y Teherán triplicaron su población entre 1970 y 2000. El 95% del crecimiento de la población urbana entre 2000 y 2030 se producirá en los países menos desarrollados. El 60% del crecimiento entre 2010 y 2040 ocurrirá en Asia (principal-mente, en China e India).

Megalópolis (más de 5 millones )5 _Población

urbana total (millones) Año Número Población mundial (millones)

Población en las regiones menos desarrolladas

(millones)

Población en Asia (millones)

Desde hace algunos siglos, las personas cada vez se han agrupado más en grandes asentamientos, hasta el punto de que a día de hoy la población mundial urbana excede a la rural. Estas ciudades de tamaños variados se concentran en el 1 al 3 por ciento de la superficie terrestre. El número de ciudades con más de 5 millones de habitantes está creciendo: desde las 4 que había en la década de 1950 se espera que se alcancen las 59 en 2015. Muchas de estas ciudades se encuen-tran en países en desarrollo, y muchas tienen niveles de contaminación del aire muy elevados. En 2009, el 16 por ciento de la población mundial habitaba en ciudades con más de

5 millones de habitantes2_{. Una buena parte del movimiento}

de población hacia las ciudades se atribuye a la gente joven, los menores de 35 años. Las ciudades presentan un vibrante entorno de innovación, interacción cultural y progreso eco-nómico. También atraen a los jóvenes debido a las oportuni-dades educativas y laborales.

Estas grandes entidades dependen en gran medida de su infraestructura subyacente, que incluye los sistemas de trans-porte (carreteras, ferrocarriles, caminos, bicicletas, etc.), el suministro eléctrico y de agua, los sistemas de recogida de basura y de drenaje, así como las redes de comunicación. La complejidad de estas infraestructuras, junto con su vulnera-bilidad, se incrementa de forma no lineal con respecto a su

1 _{Departamento de Meteorología, Universidad de Reading.}

2 _{Naciones Unidas, 2010: UN’s World Urbanization Prospects (Perspectiva}

de urbanización mundial de las Naciones Unidas). Revisión de 2009. División de Población del Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas.

tamaño. Doblar el tamaño de una ciudad puede aumentar varias veces su complejidad y, por tanto, su vulnerabilidad. Las ciudades grandes y de crecimiento rápido son conducto-ras del crecimiento económico mundial (80% del futuro cre-cimiento)3_{, pero este crecimiento puede ser rápido y}

desequi-librado como ocurre en muchas de las nuevas poblaciones urbanas, que frecuentemente son pobres.

El dramático cambio demográfico asociado con el crecimiento de las ciudades tiene implicaciones de gran alcance. Algunas se perciben más por los residentes que por el deterioro de la calidad del aire. Las ciudades de países en desarrollo pobres no suelen imponer los tipos de restricciones con respecto a las emisiones que son más frecuentes en Norteamérica y Europa. Por ejemplo, Londres y Los Ángeles han puesto en marcha políticas y estrategias para frenar la contaminación atmosférica. Hasta hace poco, los cambios en la calidad del aire resultantes del incremento de la densidad de núcleos urbanos no habían sido cuantificados en detalle, y sus efectos sobre los climas regionales y sobre el calentamiento global están todavía por documentar de forma sistemática.

3 _{Göbel, B., 2004: Urbanization and Global Environmental Change.}

Programa Internacional sobre las Dimensiones Humanas del Cambio Ambiental Mundial (IHDP).

4 _{Naciones Unidas, 2012: UN’s World Urbanization Prospects (Perspectiva}

de urbanización mundial de las Naciones Unidas). Revisión de 2011. División de Población del Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas.

5 _{En este artículo, las megalópolis tienen un umbral de población de}

5 millones pero frecuentemente se usa un umbral de 10 millones.

por Sue Grimmond

_{y la Secretaría de la OMM}

Hacia unos servicios

meteorológicos,

medioambientales y climáticos

urbanos integrados

La huella del tiempo y el clima urbanos

Hay dos mecanismos principales mediante los cuales las ciudades afectan de forma más profunda al clima local, regio-nal y global. En primer lugar, las características urbanas como la morfología o las emisiones de calor continuarán influyendo en la temperatura local, en la circulación del aire, en la preci-pitación y en la frecuencia e intensidad de las tormentas. En segundo lugar, las emisiones y retroalimentaciones químicas variables como consecuencia de los contaminantes atmosfé-ricos alterarán el tiempo y el clima, tanto localmente como a un nivel más general.

Muchas características de las ciudades pueden influir en el flujo atmosférico, en su régimen turbulento y en el microclima. Estas características pueden modificar el transporte, la dis-persión y la deposición de contaminantes atmosféricos, tanto dentro como a sotavento de las áreas urbanas (como, por ejemplo, la lluvia ácida). Algunos de los ejemplos más impor-tantes son:

• La distribución de edificios y otros obstáculos (o más gené-ricamente todos los elementos rugosos) afectan al régimen turbulento, a la velocidad y a la dirección del flujo.

• El uso extendido de materiales impermeables y la frecuente reducción de la vegetación en las áreas urbanas influye en el régimen hidrometeorológico y en la deposición de con-taminantes.

• La liberación de calor antropogénico a causa de las activi-dades humanas (tales como el transporte y el calentamiento o enfriamiento de los edificios) afecta al régimen térmico. • La liberación de contaminantes (incluidos los aerosoles)

afecta a la transferencia de radiación, a la formación de nubes y a la precipitación.

• La geometría de las calles (“calles de tipo cañón” o “cañones urbanos”) influye en el régimen del flujo y en el intercambio de calor entre diferentes superficies (como el suelo y las paredes, por ejemplo).

El resultado neto puede dar lugar a intensas islas de calor urbano, o sea, zonas de temperatura más elevada, que con-llevan que las temperaturas del aire de las ciudades sean varios grados más calurosas que las de las áreas rurales cercanas. Estas diferencias de temperatura pueden perturbar la circulación regional del aire. Las configuraciones de viento pueden verse afectadas más si cabe debido a la presencia de edificios de gran altura cada vez más numerosos. Estas per-turbaciones pueden conducir, a su vez, a niveles alterados de precipitación, contaminación atmosférica y frecuencia en las tormentas.

Además, la contribución de las ciudades al calentamiento global a través de las emisiones de gases de efecto invernadero es sustancial, en su mayor parte debido a penachos de

emi-siones de dióxido de carbono (CO2) desde las áreas urbanas

o próximas a ellas, aunque sus intensidades de emisión per

capita puedan ser ligeramente menores que en las áreas

rurales.

Calidad del aire de las megalópolis

y cambio climático

Varios estudios internacionales recientes han empezado a explorar esta problemática.6 _{Los objetivos de estos estudios}

son: evaluar el impacto de las megalópolis y de los núcleos de gran contaminación atmosférica sobre la calidad del aire a nivel local, regional y mundial; cuantificar los mecanismos de retroalimentación que interrelacionan la calidad del aire de las megalópolis, los climas locales y regionales, y el cam-bio climático mundial; y desarrollar herramientas mejoradas para predecir los niveles de contaminación del aire en las megalópolis.

6 _{Véanse MILAGRO (http://www.mce2.org/), MEGAPOLI (http://megapoli.}

info), CityZen (https://wiki.met.no/cityzen/start), ClearfLo (www.clearflo. ac.uk), WISE (Seúl), and SUIMON (Shanghái). En OMM/IGAC, 2012, está disponible un resumen mundial completo del impacto de las megalópolis en la contaminación del aire y del clima así como los proyectos corres-pondientes.

Densidad media de la columna de NO

troposférico (1 015 moléculas/cm

) a partir de las mediciones realizadas por el

instrumento SCIAMACHY a bordo del satélite ENVISAT de la Agencia Espacial Europea, para los años 2003 a 2007.

St ef fe n B ei rle , c om pa ñe ro e n e l p ro ye ct o M EG A PO LI , I ns tit ut o M ax P la nc k, M ai nz (A lem an ia )

Este estudio puso de manifiesto que las fuentes y los grados de emisión varían enormemente entre las megalópolis, en particular según las regiones geográficas. Por ejemplo, muchas de las emisiones de megalópolis en Europa y América están asociadas con el uso de las carreteras, mientras en Asia y África tienen su origen principalmente en la energía residen-cial.

Para poder pronosticar de qué forma el cambio climático mundial influirá en las ciudades se requieren estudios para comprender los procesos que tienen lugar a gran escala y a largo plazo como la temperatura y las corrientes oceánicas, los cambios en la cubierta terrestre y las variables atmosfé-ricas que cambian lentamente. Los cambios en los océanos y en la superficie del suelo pueden producir fluctuaciones climáticas que potencialmente son predecibles a escala estacional e interanual. Para proporcionar productos enfo-cados a la predicción del clima se necesita desarrollar mode-los de predicción de temperatura, lluvia y episodios de alto impacto como olas de calor y crecidas. A fin de atender las necesidades especiales de las ciudades, pueden generarse productos específicos de cambio climático reduciendo a la escala regional los modelos integrados clima-química o Tierra-sistema.

9 _{Baklanov, A. y otros, 2010: MEGAPOLI: concept of multi-scale modelling}

of megacity impact on air quality and climate, Adv. Sci. Res., 4, págs. 115 a 120, doi: 10.5194/asr-4-115-2010.

Aunque se han llevado a cabo importantes avances, se hace necesario acometer nuevos estudios de investigación inter-disciplinarios para aumentar nuestro conocimiento de las interacciones entre las emisiones, la calidad del aire y los climas regionales y mundiales. Hacen falta estudios para dirigir ambas investigaciones, la básica y la aplicada, y para extender las escalas espaciales y temporales conectando las emisiones locales, la calidad del aire y las condiciones meteo-rológicas con el clima y la química atmosférica global. La OMM ha creado el Proyecto de investigación de la Vigilancia de la Atmósfera Global (VAG) sobre meteorología y medio

ambiente urbanos (GURME)7 _{para ayudar a mejorar las}

capa-cidades de los Servicios Meteorológicos Nacionales para gestionar los aspectos meteorológicos y otros relacionados con la contaminación urbana.

Las megalópolis y otras regiones de alta densidad poblacio-nal emiten cantidades significativas de contaminantes a la atmósfera. Los efectos locales son especialmente evidentes dentro de los límites de las megalópolis contaminadas bien conocidas, como Pekín y Delhi. Los contaminantes proceden habitualmente del transporte urbano, de la producción de energía y de otros tipos de industria, y ello tiene efectos sobre el entorno, que es perjudicial para la salud. Sin embargo, esta contaminación no está confinada dentro de los límites de las megalópolis mismas, sino que puede transportarse a grandes distancias, de forma que contribuye a la contaminación de fondo de todo el hemisferio.

No se comprenden plenamente las fuentes y los procesos que dan lugar a las altas concentraciones de los principales contaminantes, como el ozono, el dióxido de nitrógeno y la materia particulada, en áreas urbanas complejas y en sus alrededores. Esta circunstancia limita nuestra capacidad de predecir con exactitud la calidad del aire. En el estudio de

MEGAPOLI8 _{se compararon tres grandes inventarios de}

emi-siones globales junto con dos inventarios a nivel de ciudad.

7 _{http://mce2.org/wmogurme/}

8 _{Denier van der Gon y otros, 2011: Discrepancies Between Top-Down}

and Bottom-Up Emission Inventories of Megacities: The Causes and Relevance for Modeling Concentrations and Exposure. En: D. G. Steyn y S. T. Castelli (eds.), Air Pollution Modeling and its Application XXI, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security (vol. 4, págs. 194 a 204). A lex an de r M ah ur a, In st itu to M et eor ol óg ic o D ané s, C op en ha gu e ( D in ama rc a)

Inundación urbana en agosto de 2010 en Copenhage

Local/urbano ~ 1-102km Regional ~ 103_km Global ~ 104_km Emisiones _Forzamiento Megalópolis Clima

Procesos de la capa límite y transformaciones químicas Características y rasgos urbanos Transformaciones químicas

1s - 1h Días - semanas Años - décadas

Conexiones Impactos Retroalimentaciones

Procesos Mitigación Escalas

Calidad del aire

Conexiones principales entre las megalópolis, la calidad del

aire y el clima, con las principales retroalimentaciones,

ecosistemas, vías de impacto del tiempo y la salud, y rutas

de mitigación

_{. También se incluyen las escalas temporales y}

Necesidades de investigación y estrategia

para el futuro

Las necesidades y requerimientos de cada ciudad deberían ser informados a través de una identificación holística de impactos y de riesgos con el fin de poder trazar en un mapa las vulnerabilidades específicas de la ciudad e identificar los servicios que serían más beneficiosos. Las ciudades costeras tienen diferentes problemáticas con respecto a las ciudades del interior; de forma similar, las necesidades de un área urbana tropical son diferentes de las de las ciudades afectadas por una meteorología invernal severa. Los acuerdos para compartir datos entre instituciones metropolitanas constitu-yen un pilar fundamental para las autoridades a la hora de identificar los servicios prioritarios así como para diseñar y establecer las redes urbanas de observación que permiten captar los fenómenos de interés en la resolución espacial y temporal requerida.

Los servicios metropolitanos están duramente condicionados por los modelos acoplados de alta resolución para la predic-ción ambiental y que incluyen procesos, condiciones de contorno, flujos de energía y propiedades físicas realistas y específicos de las ciudades. Se necesitan unos nuevos siste-mas de observación centrados en el medio urbano para eje-cutar estos modelos y para proporcionar las predicciones de alta calidad que se usarán en estos nuevos servicios. Con respecto a los usuarios, es preciso utilizar unos medios de comunicación nuevos, enfocados a aquellos y personalizados de forma que aseguren que los servicios, consejos y avisos dan paso a una acción apropiada y a una respuesta que mejore el servicio. Se necesitan nuevas habilidades y capacidades para optimizar el uso de las nuevas tecnologías de cara a producir y a distribuir nuevos servicios en un medio urbano desafiante y desarrollado.

Los Servicios Meteorológicos Nacionales son los encargados de establecer relaciones de trabajo sólidas con las autorida-des municipales. De forma conjunta, los Servicios deberían identificar y acordar las prioridades para aunar tanto los servicios como los recursos necesarios a fin de prestar un servicio continuado y mejorarlo. Teniendo en cuenta la

importancia global de la urbanización y el número cada vez mayor de megalópolis y de grandes complejos urbanos, los Miembros de la OMM harían bien en incluir este fenómeno como una prioridad de alto nivel. Deberían considerar la mejor manera de incluir las necesidades singulares de un servicio climático en los entornos urbanos en el Marco Mundial para los Servicios Climáticos. Es posible que los Miembros de la OMM también deseen mostrar y compartir sus experiencias urbanas así como establecer las mejores prácticas sobre cómo servir al habitante urbano, que ahora se está convirtiendo rápidamente en el mayor interesado en los servicios urbanos meteorológicos, climáticos, hidrológicos y medioambienta-les afines.

Servicio meteorológico, medioambiental y

climático urbano integrado

Hay un amplio abanico de conceptos que definen el desarro-llo de un servicio meteorológico, medioambiental y climático urbano integrado. Estos conceptos hacen referencia a las condiciones a las que se enfrenta la población urbana, a los impactos de las condiciones ambientales en las megalópolis y en las sociedades urbanas, a la necesidad de contar con un marco legal y con interrelaciones claramente definidas con los organismos gubernamentales a fin de posibilitar la creación y el mantenimiento de dichos servicios, y a los avances cien-tíficos y tecnológicos necesarios para desarrollarlos e implan-tarlos.

También se debe considerar el suministro de información sobre el tiempo y el clima urbanos. Por ejemplo, la juventud es entusiasta en el uso de los nuevos métodos de comunica-ción; así pues, los medios sociales jugarán un papel cada vez más importante en el desarrollo y en la prestación de servicios meteorológicos y medioambientales afines.

Los modelos numéricos más adecuados para los sistemas operativos de predicción integrada urbana del tiempo, la calidad del aire y el clima constituyen la nueva generación de modelos de área limitada que cuentan con módulos acoplados de dinámica y química (son los denominados “modelos integrados de meteorología y química (IMCM)”). Estos mode-los se han beneficiado de mode-los rápidos avances en mode-los recursos de cálculo además de una considerable investigación científica básica.10

Los modelos IMCM actuales de última generación abarcan procesos químicos y físicos interactivos, como por ejemplo aerosoles-nubes-radiación, acoplados con un núcleo dinámico no hidrostático y completamente compresible que incluye el transporte monótono de escalares y que permite la retroali-mentación entre la composición química y las propiedades físicas de la atmósfera. Sin embargo, las simulaciones que utilizan resoluciones finas, dominios grandes y una química detallada en grandes períodos temporales para los aerosoles y para la fase gaseosa/acuosa aún son demasiado exigentes, desde el punto de vista del cálculo que requieren, debido a la enorme complejidad de los modelos. Por tanto, las aplica-ciones meteorológicas y climáticas de los modelos IMCM

10 _{Zhang, Y., 2008: Online-coupled meteorology and chemistry models:}

history, current status, and outlook, Atmos. Chem. Phys., 8, págs. 2895 a 2932, doi: 10.5194/acp-8-2895-2008; y Baklanov, A. y otros, 2014: Online coupled regional meteorology chemistry models in Europe: current status and prospects, Atmos. Chem. Phys., 14, págs. 317 a 398, doi: 10.5194/ acp-14-317-2014.

Plataforma de apoyo para construir sociedades resilientes

al clima

Tiempo, agua y medio ambiente urbanos integrados para ofrecer servicios

orientados a la reducción de los riesgos de desastre, incluyendo la interfaz

de usuario para los servicios climáticos urbanos

Mapa de riesgos Peligros transportados por el aire Clima extremo Riesgos relacionados con el agua Observación y vigilancia

Ejemplos de colaboración: Shanghái

El objetivo del Servicio Meteorológico de Shanghái (SMS) es el de pasar de la predicción del tiempo tradicional a la predicción de riesgos de desastre por causas meteorológicas, utilizando análisis de riesgos de amenazas de naturaleza múltiple y un enfoque reduccionista y de apoyo. Para realizar su labor, el SMS se centra en el riesgo de que se produzcan fenómenos meteorológicos de gran impacto en áreas específicas, considerando la naturaleza del fenómeno o del peligro asociado al mismo, así como la vulnerabilidad y la exposición de los emplazamientos. Esto mejorará la resiliencia de las infraestructuras ciudadanas así como su capacidad para gestionar los riesgos.

Figura: Los vínculos entre la exposición y la vulnera-bilidad a los fenómenos meteorológicos y climáticos influyen en los impactos y en la posibilidad de desas-tres (riesgos de desastre).

Fuente: SMS, modificado de IPCC 2012

Fenómenos peligrosos: rayos, lluvias fuertes, tifones, viento fuerte, calima Vulnerabilidad Vulnerabilidad: condiciones geográficas, infraestructuras, industria Riesgos de desastre Exposición: vidas humanas, propiedades, salud, actividades importantes Fenómenos peligrosos La capacidad de resiliencia incluye: soluciones no relacionadas con la construcción (vigilancia meteorológica, avisos, gestión de riesgos) y las relacionadas con la construcción Resiliencia: características intrínsecas del sistema, resiliencia frente a estímulos externos Exposició n Resiliencia

tienen que ser coherentes con la resolución espacial, el tamaño del dominio, la duración de la simulación y el grado de com-plejidad de los mecanismos químicos y de los relacionados con los aerosoles.

Un modelo típico que se ejecuta a escala meteorológica para un dominio urbano utiliza un número reducido de especies y de reacciones químicas debido a sus finas resoluciones hori-zontal y vertical, mientras que si se ejecuta a escala climática se usan generalmente resoluciones horizontales y verticales más amplias con mecanismos químicos razonablemente detallados.11 _{Hay iniciativas para ampliar servicios}

relaciona-dos de los grandes centros de predicción. Por ejemplo, el proyecto MACC-II12 _{de vigilancia de la composición}

atmosfé-rica y del clima (en fase de ejecución provisional) que se utiliza actualmente como servicio atmosférico preoperativo a escala mundial y europea, podría extenderse y reescalarse para las megalópolis y las aglomeraciones urbanas.

La representación de la superficie y de las subcapas urbanas ha experimentado un amplio desarrollo pero no hay un esquema capaz de tratar todos los intercambios que ocurren en la superficie.14 _{Para complicarlo más todavía, el aumento}

de la resolución de los modelos, combinado con el gran tamaño de los edificios urbanos en muchas ciudades, supone un reto para los límites de la comprensión actual. Entre las cuestiones más importantes se incluyen: ¿deberían resolverse directa-mente los edificios?, ¿qué simplificaciones pueden llevarse a cabo para que los cálculos sean manejables en un período de 11 _{Barth, M. C. y otros, 2007: Cloud-scale model intercomparison of}

chemical constituent transport in deep convection, Atmos. Chem. Phys., 7, págs. 4709 a 4731, doi: 10.5194/acp-7- 4709-2007.

12 _{http://www.gmes-atmosphere.eu/}

13 _{Kootval, H., 2013: Programa de Servicios Meteorológicos para el}

Público – ¿Cuál es el futuro?, Boletín de la OMM 62(2) – 2013; y Xu Tang, 2006: La gestión de los riesgos de desastre en las megalópolis, Boletín de

la OMM 55(4) – Octubre de 2006.

14 _{Grimmond, C. S. B. y otros, 2010b: The International Urban Energy}

Balance Models Comparison Project: First results from Phase 1, J. of

Applied Meteorology & Climatology, 49, págs. 1268 a 1292, doi:

10.1175/2010JAMC2354.1; y Grimmond, C. S. B. y otros, 2011: Initial Results from Phase 2 of the International Urban Energy Balance Comparison Project, International J. of Climatology, 31, págs. 244 a 272, doi: 10.1002/ joc.222.

modelización realista?, y ¿a qué escala pueden aplicarse los esquemas actuales de superficie del suelo y la física del modelo?

Se necesitan llevar a cabo estudios adicionales relacionados con los siguientes temas: los aerosoles orgánicos secundarios y sus interacciones con la nubosidad y la radiación, la asimi-lación de datos que incluya especies químicas y de aerosoles, los núcleos dinámicos con capacidad de eficiencia en el transporte de multitrazadores, y los efectos generales de los aerosoles en la evolución del tiempo y del clima. Todas estas áreas se interesan por el uso eficiente de los modelos en los sistemas informáticos de multiprocesadores en paralelo. Los centros de cálculo que basan sus productos y servicios en los modelos IMCM necesitan seguir de cerca la evolución de las investigaciones y desarrollos de estos modelos aco-plados, pero también tienen que interactuar con estas activi-dades. La investigación en materia de procesos físicos y químicos básicos y el desarrollo de modelos numéricos y de herramientas son componentes integrales y centrales de unos productos y servicios de predicción fiables y exactos. Sin embargo, debido a que el personal operativo no es plenamente responsable de estas actividades de investigación y desarro-llo, sería preciso establecer colaboraciones fuertes y de larga duración entre investigadores y grupos operativos externos e internos. Estas colaboraciones deberían promover el desa-rrollo de métodos para medir las mejoras en las técnicas de predicción y sus beneficios.

Contribuidores de la Secretaría de la OMM

• Xu Tang, director del Departamento de Servicios Meteoro-lógicos y de Reducción de Riesgos de Desastre.

• Alexander Baklanov, Programa de Investigación de la Atmós-fera y el Medio Ambiente del Departamento de Investigación.